基于 UDP 与多线程的简易聊天通信实现

使用多线程实现 UDP 聊天通信 —— 原理与实践

一、UDP 通信的特点

在计算机网络中，UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）是一种无连接、不可靠的传输层协议。它与 TCP 相比，有如下特点：

1. 无连接
   通信双方在发送数据前无需建立连接，节省了握手的开销，速度快。

2. 不可靠传输
   数据报可能丢失、乱序、重复，因此应用层需要根据需求决定是否添加重传或校验机制。

3. 面向报文
   UDP 以“报文”为单位发送和接收，发送时一次写入的数据会作为一个整体到达接收端。

4. 高效、实时性强
   由于没有复杂的握手和确认机制，UDP 特别适合实时性要求高的应用，如语音通话、视频会议、在线游戏等。

二、UDP 通信的设计与使用要求

在设计 UDP 应用时，开发者需要明确以下几点：

1. IP 地址和端口号

   • IP 用来标识主机；

   • 端口号用来标识主机中的应用进程。
     通信时，必须保证接收方的 IP 和端口是已知且唯一的。

2. Socket 编程接口
   在 C 语言中，使用 socket() 创建 UDP 套接字：

   int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
   

   • AF_INET 表示 IPv4 协议族；

   • SOCK_DGRAM 表示使用数据报套接字。

3. 绑定与地址结构
   使用 struct sockaddr_in 定义地址：

   struct sockaddr_in addr;
   addr.sin_family = AF_INET;
   addr.sin_port = htons(50000);
   addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.100");
   

   • sin_family：协议族（IPv4）。

   • sin_port：端口号（需使用 htons 转换为网络字节序）。

   • sin_addr.s_addr：IP 地址（需使用 inet_addr 转换）。

   在服务器端，通常需要 bind() 来绑定端口，使其能够接收消息。

4. 数据传输函数

   • 发送：sendto()

   • 接收：recvfrom()

   由于 UDP 无连接，每次通信都需要显式传入对方的地址信息。

三、线程在 UDP 聊天中的作用

在简单的 UDP 聊天程序中，接收和发送共享同一个进程的主循环，这会带来一个问题：

• 如果用户在输入消息时，网络收到数据，可能出现阻塞，影响实时性。

解决方案：使用多线程。

• 一个线程专门负责接收消息；

• 一个线程专门负责发送消息。

这样即使两端同时输入，也能保证通信的并发性和实时性。

四、代码实现 —— 多线程 UDP 聊天

下面给出一个简化版的多线程 UDP 聊天代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <pthread.h>

typedef struct sockaddr* SA;

int sockfd;
struct sockaddr_in peer;
socklen_t addrlen = sizeof(peer);

// 接收线程
void* recv_thread(void* arg) {
    char buf[512];
    while (1) {
        memset(buf, 0, sizeof(buf));
        ssize_t n = recvfrom(sockfd, buf, sizeof(buf), 0, NULL, NULL);
        if (n > 0) {
            printf("\n[Peer]: %s\n", buf);
            if (strcmp(buf, "#quit") == 0) {
                printf("对方退出，聊天结束。\n");
                exit(0);
            }
        }
    }
    return NULL;
}

// 发送线程
void* send_thread(void* arg) {
    char buf[512];
    while (1) {
        memset(buf, 0, sizeof(buf));
        fgets(buf, sizeof(buf), stdin);
        buf[strcspn(buf, "\n")] = '\0'; // 去掉换行符
        sendto(sockfd, buf, strlen(buf), 0, (SA)&peer, addrlen);
        if (strcmp(buf, "#quit") == 0) {
            printf("你已退出聊天。\n");
            exit(0);
        }
    }
    return NULL;
}

int main() {
    // 1. 创建套接字
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sockfd < 0) {
        perror("socket error");
        return -1;
    }

    // 2. 配置对方地址（需要手动修改）
    peer.sin_family = AF_INET;
    peer.sin_port = htons(50000);
    peer.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.183");

    // 3. 创建线程
    pthread_t tid1, tid2;
    pthread_create(&tid1, NULL, recv_thread, NULL);
    pthread_create(&tid2, NULL, send_thread, NULL);

    // 4. 等待线程结束
    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);

    close(sockfd);
    return 0;
}

五、应用细节分析

1. 端口与地址
   通信双方必须在 相同端口 上进行交互，否则消息无法到达。
   IP 地址必须设置为对方的真实 IP。

2. 退出机制
   这里约定输入 #quit 表示退出。这样两个线程都能捕捉退出信号，避免死循环。

3. 线程并发性

   • recv_thread 不会阻塞 send_thread；

   • 即使双方同时输入，也不会丢失消息。

4. 改进空间

   • 增加消息缓存队列，实现更复杂的缓冲机制。

   • 使用 select() 或 epoll() 代替多线程，提升效率。

   • 添加加密/校验机制，提高安全性。

六、总结

• UDP 的优势：轻量、实时性好，适合聊天、语音、视频、游戏等场景。

• UDP 的不足：不保证可靠性，应用层需根据需求设计重传、校验。

• 线程的作用：在聊天程序中保证收发独立运行，避免阻塞，实现实时交互。

• 工程要求：必须明确 IP、端口、退出机制，才能设计出稳定的 UDP 聊天系统。